基于投影仪的超分辨：高速、自偏振调制的三维数字结构光照明显微成像
信息来源：席鹏教授团队
DMD作为一种数字光调控(Digital light processing)器件，被广泛应用于投影仪等设备中。它能够提供高速图案调制，为显示产业带来了技术革新。
在各种超分辨荧光显微成像技术中，结构照明显微成像技术能够在2倍于衍射极限分辨率条件下保持低光毒性与高时间分辨率，成为活细胞观测的主流方法。传统3DSIM成像系统通过相位光栅和线偏振片，或铁电液晶空间光调制器（FLC-SLM）和分区半波片来调节照明结构光的方向、相位与偏振态。然而，基于相位光栅的3DSIM系统在成像中需要机械地平移与旋转，极大限制了3DSIM的成像速度；基于FLC-SLM的3DSIM系统则需要两个液晶相位延迟器进行同步的相位延迟，成本较高且调制速度依然受到限制。考虑到3DSIM相对于2DSIM而言需要更多原始图像以重构超分辨图像的特性，其硬件系统受限的切换速度与偏振调制精度会带来因样本运动与条纹调制度不足导致的各类伪影。
针对上述问题，北京大学未来技术学院席鹏教授团队继2020年成功实现基于激光干涉的DMD-SIM (APL 2020), 及2023年提出开源3DSIM重建算法Open-3DSIM（Nature Methods 2023）后，首次提出了一种基于数字微镜器件（DMD）和电光调制器（EOM）的高速、自偏振调制的三维结构光照明显微成像方法（DMD-3DSIM）。该方法将DMD的保偏、快速切换特性与EOM的快速偏振旋转特性相结合，实现了多种亚细胞结构和动植物组织的高速3DSIM成像，其精准的偏振调制系统具有偶极子取向解析能力，各类反卷积算法的进一步提高了3DSIM的计算分辨率。相关成果以“High-speed auto-polarization synchronization modulation three-dimensional structured illumination microscopy”为题，在线发表在Advanced Photonics Nexus期刊。
DMD-3DSIM的光路如图1所示，激光通过偏振棱镜，由EOM和四分之一波片进行偏振调制；出射光通过扩束器准直，以12°的入射角照射在DMD中心；在DMD上加载特定周期的二值化条纹，多级衍射光束经透镜L1汇聚；经空间滤波器筛选出0级和±1级衍射光；通过由4f系统与二向色镜，将0级和±1级衍射光束重新汇聚到物镜后焦面并使其在样本表面干涉；样本产生的荧光经镜筒透镜和发射滤光片由相机收集。
图1DMD-3DSIM硬件示意图。(a)光路设置。(b)光路不同部分的偏振方向与结构光示意。
研究人员首先利用DMD-3DSIM对直径为100 nm的荧光小球进行成像，并将宽场图像（WF）与三维结构光照明显微图像（3DSIM）进行对比，如图2(a)所示。3DSIM成功分辨出WF无法区分的相邻的荧光小球，同时提高了光学层切能力与轴向分辨率。图像去相关结果显示，3DSIM在横向和轴向均实现了2倍分辨率提升。
图2DMD-3DSIM分辨率测定。(a) 直径100 nm荧光小球的WF和3DSIM图像。(b-c)去相关定量分精确分辨率。
研究人员进一步对背景散射较强并具有一定厚度的植物和动物组织进行了成像。图3分别为夹竹桃叶片、黑藻叶片和玉米根尖的WF和3DSIM结果以及小鼠肾组织切片肌动蛋白微丝的偶极子取向分布结果（p3DSIM）。提高的分辨率与光学层切能力进一步证明了DMD-3DSIM相对于WF成像的优势。
图3植物和动物组织的DMD-3DSIM成像。(a)夹竹桃叶片细胞壁。(b)黑藻叶片中空结构。(c)玉米根尖周期性聚集和分散结构。(d-f)小鼠肾组织切片肌动蛋白微丝的WF、3DSIM和p3DSIM最大强度投影图像。(g-h)相应的三维展示。37层。比例尺：2 μm。
鉴于DMD的相关技术在数字光处理中的广泛应用及其作为消费产品的成本效益，研究人员在此研究中公开了所有硬件组件和控制程序于论文附录以及Github：https://github.com/Cao-ruijie/DMD-3DSIM-hardware，使这一技术成为开源硬件。结合该研究团队在Nature Methods上发表的Open-3DSIM算法平台（https://www.nature.com/articles/s41592-023-01958-0），研究人员期待该工作将为3DSIM多维成像的软件硬件协同发展方面，开辟出一条开源、开放社区的新途径。
这项工作中，北京大学未来技术学院博士生李雅宁和曹睿杰为该项成果的共同第一作者，北京大学席鹏教授和李美琪老师为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。